97 3) Chờ khung thông tin (không có lỗi, đóng vai trò là khung báo nhận) từ phía thu. Nếu khung nhận được không có lỗi, và trong trường Request có RN > SN thì đặt giá trị SN = RN và quay lại bước 1 Nếu không nhận được khung thông tin trong một khoảng thời gian định trước (time-out), thì thực hiện bước 2 Phía thu – giả sử tại thời điểm đầu RN = 0 4) Khi nhận được một khung thông tin (không có lỗi) từ phía phát, chuyển khung này lên lớp phía trên và tăng giá trị RN lên 1 5) Trong trường hợp nhận được khung thông tin có lỗi, gửi lại một khung thông tin cho phía phát với RN được giữ nguyên (khung báo sai - NAK). Khung được gửi từ phía thu này có thể chứa cả thông tin từ phía thu sáng phía phát chứ không đơn thuần chỉ dùng cho mục đích báo sai. Hình dưới đây mô tả nguyên tắc hoạt động của cơ chế Stop-and-Wait ARQ khi có sử dụng SN và RN. Hình: Stop-and-Wait ARQ có sử dụng SN/RN Hiệu suất của phương pháp Stop-and-Wait ARQ Định nghĩa – Hiệu suất của việc truyền tin giữa phía phát và thu là tỷ lệ giữa thời gian phía phát cần để phát xong lượng thông tin đó trên tổng thời gian cần thiết để truyền lượng thông tin đó. Tổng thời gian cần thiết ở đây bao gồm thời gian trễ khi truyền tín hiệu từ phát sang thu (và ngược lại) cũng như thời gian xử lý thông tin và thời gian chờ báo nhận từ phía thu. Để tính hiệu suất tính cho phương pháp ARQ dừng và đợi, người ta tính cho một khung thông tin điển hình, hiệu suất của cả một phiên truyền cho nhiều khung thông tin về bản chất chính bằng hiệu suất khi tính cho một khung (vì cả tử số và mẫu số cùng nhân với một hệ số tỷ lệ là số khung thông tin được truyền) Trường hợp 1: Giả thiết môi trường không có lỗi, thông tin từ truyền từ phía phát sang phía thu chỉ chịu ảnh hưởng của trễ 98 Hình: Giản đồ thời gian khi truyền tin từ phát sang thu, không có lỗi Trong đó: T F = thời gian phát khung thông tin T D = trễ truyền sóng giữa phía phát và phía thu T P = thời gian xử lý khung thông tin ở phía thu T ACK = thời gian phát khung ACK T P’ = thời gian xử lý khung ACK ở phía phát Ta có: Thời gian phía phát cần để phát xong khung thông tin là T F Tổng thời gian cần thiết để truyền khung thông tin là T = T F +T D +T P +T ACK +T D +T P’ . Vì thời gian xử lý khung thông tin T P và T P’ là khá nhỏ nên có thể bỏ qua. Trong trường hợp kích thước khung thông tin F lớn hơn khung báo nhận ACK rất nhiều thì có thể bỏ qua cả T ACK . Như vậy T = T F +2T D . Hiệu suất truyền: 2 F F D T T T = 1 1 2 a với a = D F T T Trong đó: D d T v với d là khoảng cách giữa hai trạm phát và thu; v là vận tốc truyền sóng trong môi trường. v = 3.10 8 m/s khi truyền trong không gian tự do. F L T R với L là kích thước khung thông tin và R là tốc độ đường truyền Khi đó Rd a vL , a càng nhỏ thì hiệu suất truyền càng lớn Ví dụ 5.3: tính hiệu suất của phương pháp phát lại theo cơ chế ARQ dừng và đợi cho tuyến thông tin vệ tinh. Giả thiết khoảng cách từ vệ tinh tới mặt đất là 36.000 km, vận tốc truyền sóng trong không khí là 99 3.10 8 m/s, tốc độ thông tin là 56 Kbps và khung có kích thước 4000 bits. Giải: Ta có 3 6 8 3 56.10 .36.10 1,68 3.10 .4.10 Rd a vL , Do đó hiệu suất 1 1 22,94% 1 2 1 2.1,68a . Hiện tại, các dịch vụ thông tin vệ tinh có tốc độ lớn hơn nhiều (R lớn) nên hệ số a càng lớn và hiệu suất sẽ còn nhỏ hơn trường hợp ví dụ này. Ví dụ 5.4: tính hiệu suất của phương pháp phát lại theo ví dụ trên nhưng sử dụng co kết nối trong mạng LAN với khoảng cách giữa hai trạm là 100 m, vận tốc truyền sóng trên cáp đồng là 2.10 8 m/s, tốc độ truyền thông tin là 10 Mbps và khung có kích thước 500 bits. Giải: tính tương tự như trường hợp trên, ta có 6 8 10.10 .100 0,01 2.10 .500 Rd a vL , hiệu suất 1 1 98,04% 1 2 1 2.0,01a Như vậy, với thông tin trong mạng LAN, do cự ly nhỏ nên hiệu suất được cải thiện so với trường hợp truyền thông tin vệ tinh. 6) Trường hợp 2: ở phần trên, để tính toán hiệu suất, chúng ta đã giả thiết môi trường truyền lý tưởng (không có lỗi). Tuy nhiên, môi trường truyền thực tế luôn có lỗi và được đặc trưng bởi xác suất lỗi p, do đó, hiệu suất truyền trên thực tế sẽ nhỏ hơn so với trường hợp lý tưởng. Định nghĩa xác suất lỗi – Xác suất lỗi p (0 ≤ p ≤ 1) là xác suất phía thu nhận được bit 0 khi phía phát truyền bit 1 (hoặc ngược lại). Xác suất lỗi càng lớn thì môi trường truyền càng không tốt, khi p = 0 thì môi trường truyền không có lỗi (lý tưởng); p = 1 là khi môi trường truyền luôn luôn có lỗi (sẽ không dùng để truyền tin). Khi 0,5 < p < 1 tức là khả năng phía thu nhận được thông tin có lỗi sẽ lớn hơn nhận được thông tin đúng, trong trường hợp này, chỉ cần đảo bit luồng thông tin thu được là ta có thể chuyển thành trường hợp 0 < p < 0,5. Vì lý do đó, trong lý thuyết thông tin, người ta chỉ tìm hiểu các môi trường truyền dẫn có xác suất lỗi 0 ≤ p ≤ 0,5. Như trên đã trình bày, khi truyền thông tin trong môi trường có lỗi, có thể xảy ra trường hợp phải truyền lại khung thông tin (do lỗi), do đó, hiệu suất trong trường hợp này nhỏ hơn trường hợp lý tưởng. Gọi N R là số khung thông tin phải truyền cho đến khi đúng ( 1 ≤ N R ≤ ∞), khi 100 ấy, hiệu suất của trường hợp không lý tưởng sẽ là ' ideal reality R N . Vấn đề ở đây là tính được giá trị N R. Để đơn giản hóa, ta giả thiết ACK và NAK không bị lỗi. Ta thấy, với xác suất lỗi là p thì: Xác suất để truyền khung thành công ngay lần đầu là 1-p Xác suất để truyền khung đến lần thứ hai mới thành công là p(1-p) Tổng quá hoá: xác suất để truyền khung đến lần thứ i mới thành công là p i-1 (1-p) Vậy: 1 1 1 (1 ) 1 i R i N ip p p . Hiệu suất của phương pháp ARQ dừng và đợi trong trường hợp thực tế: 1 1 2 ideal reality R p N a Nhận xét Như phần trên đã trình bày, hiệu suất của phương pháp truyền theo cơ chế dừng và đợi phụ thuộc vào hệ số Rd a vL , a càng nhỏ thì hiệu suất càng lớn. Ta thấy a sẽ nhỏ khi v.L lớn hoặc khi R.d nhỏ. R nhỏ – đây là điều không mong muốn khi truyền thông tin vì trên thực tế, người ta mong muốn truyền tin với tốc độ đường truyền càng cao càng tốt. d nhỏ – tham số khoảng cách giữa phía phát và phía thu thường không thay đổi được do phụ thuộc vào những yêu cầu khách quan bên ngoài. v lớn – vận tốc truyền sóng trong môi trường có các giá trị nhất định và rất khó có thể thay đổi. L lớn – có thể tăng kích thước khung để tăng hiệu suất. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là thông tin truyền lại sẽ lớn nếu khung thông tin ban đầu bị sai. Cũng vì lý do này mà mỗi môi trường truyền dẫn nhất định sẽ có kích thước khung tối ưu tương ứng. Như vậy, hệ số a gần như không thể thay đổi dẫn đến phương pháp truyền lại theo cơ chế dừng và đợi không được sử dụng phổ biến do hiệu quả sử dụng đường truyền không cao. Để nâng hiệu suất lên, cần có những cơ chế mới nhằm đảm bảo phía phát có thể tận dùng được thời gian rảnh rỗi trong khi chờ báo nhận từ phía thu. Người ta đã dựa trên cơ chế dừng và đợi này để tạo ra các cơ chế mới cho hiệu quả truyền cao hơn, cụ thể là cơ chế truyền lại theo nhóm (Go-back-N ARQ) và cơ chế phát lại theo yêu cầu (Selective Repeat ARQ). 101 5.2.6. Go-back-N ARQ Cơ chế hoạt động Với cơ chế phát lại Go-back-N, phía phát sẽ được phát nhiều hơn một khung thông tin trước khi nhận được báo nhận từ phía thu. Số khung thông tin cực đại mà phía phát có thể phát (ký hiệu là W) được gọi là kích thước cửa sổ. Với cơ chế hoạt động này, Go-back-N (và cả phương pháp selective repeat trình bày ở phần sau) được gọi là cơ chế cửa sổ trượt (sliding window) Mỗi khi phát xong một khung thông tin, phía phát giảm kích thước cửa sổ đi 1, khi kích thước cửa sổ bằng 0, phía phát sẽ không được phát thêm khung thông tin nào nữa (điều này đảm bảo số khung thông tin đồng thời đến phía thu không vượt quá W, và do đó, không vượt quá khả năng xử lý của phía thu). Mỗi khi phía thu nhận được một khung thông tin đúng và xử lý xong, phía thu sẽ gửi lại một báo nhận ACK cho phía phát. Khi nhận được báo nhận này, phía phát sẽ tăng kích thước cửa sổ W lên 1. Điều này đồng nghĩa với việc phía phát sẽ được phát thêm một khung nữa, ngoài W khung đã phát trước đó, vì phía thu đã xử lý xong một khung, và như vậy, tổng số khung mà phía thu phải xử lý tại một thời điểm vẫn không vượt quá W. Để có thể phân biệt các khung trên đường truyền, các khung cần được đánh số thứ tự. Nếu dùng k bit để đánh số thì tổng số khung được đánh số sẽ là 2 k (từ 0 đến 2 k – 1) và do đó, kích thước cửa sổ tối đa W max = 2 k (về mặt lý thuyết). Ví dụ sử dụng 3 bit để đánh số thứ tự cho các khung thông tin. Lúc này kích thước cửa sổ cực đại sẽ là 7 (yêu cầu sinh viên giải thích lý do). Tại thời điểm ban đâu, cả phía phát và thu đều có kích thước cửa sổ là 7 thể hiện rằng phía phát được phép phát tối đa là 7 khung (bắt đầu từ khung F0). Sau khi phía phát đã phát được ba khung (F0, F1, F2) và chưa nhận được ACK, phía phát giảm kích thước cửa sổ xuống còn 4. Lúc này cửa sổ phía phát bao gồm các khung từ F3 đến F6 thể hiện rằng phía phát còn được phép truyền tối đa là 4 khung nữa, bắt đầu từ khung F3. Ở phía thu, sau khi đã nhận đúng và xử lý xong ba khung F0, F1 và F2 thì sẽ gửi lại ACK3 cho phía phát. ACK3 nhằm ám chỉ rằng: “Phía thu đã nhận và xử lý xong các khung cho đến F2 và phía thu đang sẵn sàng nhận khung 3.” Thực tế, phía thu sẵn sàng nhận 7 khung bắt đầu từ khung F3. Phia thu đồng thời tăng kích thước cửa sổ bên thu lên 7, bao các khung từ F3 cho đến F1. Phía phát sau khi nhận được ACK3 sẽ tăng kích thước cửa sổ thêm 3 đơn vị. Lúc này cửa sổ phía phát W = 7 và bao các khung từ F3 đến F1. Giả sử lúc này phía phát thực hiện phát các khung từ F3 đến F6 (4 khung). Sau khi phát, phía phát sẽ giảm kích thước cửa sổ đi 4 (W = 3), lúc này cửa sổ chỉ còn bao các khung F7, F0 và F1. 102 Phía thu gửi lại ACK4, báo rằng nó đã nhận và xử lý xong khung F3, ACK4 ám chỉ rằng phía phát được phép phát tối đa là 7 khung bắt đầu từ F4. Tuy nhiên khi ACK4 về đến phía phát thì phía phát đã thực hiện phát các khung F4, F5 và F6 rồi, như vậy, phía phát sẽ chỉ còn phát được tối đa là 4 khung bắt đầu từ F7. Hình dưới đây minh họa nguyên tắc hoạt động của cơ chế cửa sổ trượt. Hình: Nguyên tắc hoạt động của cơ chế cửa sổ trượt Trong trường hợp lý tưởng (không có lỗi xảy ra) thì cơ chế cửa sổ trượt đảm bảo số khung thông tin từ phía phát đến phía thu không vượt quá kích thước cửa sổ. Trong trường hợp này, không có sự phân biệt giữa Go-back-N và selective repeat (và chúng được gọi chung là sliding window). Khi có lỗi xảy ra, việc truyền lại các khung lỗi của cơ chế cửa sổ trượt được thực hiện theo hai cách khác nhau: Go-back-N: phía phát sẽ thực hiện phát lại khung thông tin bị sai và tất cả các khung thông tin khác đã được truyền, tính từ khung bị sai. Selective repeat: phía phát sẽ chỉ phát lại các khung thông tin bị sai Để có thể hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của Go-back-N, ta xét một số trường hợp cụ thể sau: 1) Khung thông tin bị lỗi – có thể xảy ra một trong ba trường hợp: Phía phát đã phát khung i, phía thu đã thu đúng các khung từ i – 1 trở về trước. Lúc này phía thu sẽ gửi NAK i (RN = i) cho phía phát 103 để báo lỗi cho khung i. Khi phía phát nhận được NAK i, nó sẽ thực hiện phát lại khung i và tất cả các khung sau i (nếu các khung đó đã được phát). Khung thông tin i bị mất trên đường truyền, giả sử phía thu nhận được khung i+1, lúc này phía thu thấy các khung đến không theo thứ tự (nhận được i+1 trước khi nhận được i) và hiểu rằng khung i đã mất. Phía thu sẽ gửi lại NAK i cho phía phát. Khung thông tin i bị mất trên đường truyền và phía phát không gửi thêm khung thông tin nào nữa. Lúc này phía thu không nhận được gì và không gửi lại ACK hay NAK. Phía phát chờ đến time-out của khung thông tin i và thực hiện truyền lại khung này. 2) Khung ACK bị lỗi – ACK bị lỗi có thể xảy ra một trong hai trường hợp: Phía thu nhận được khung i và gửi ACK(i+1) về phía phát và ACK này bị mất trên đường truyền. Giả sử trước khi time-out của khung i xảy ra, phía phát nhận được ACK(i+2) (hoặc ACK(i+n) với n > 1) thì phía phát hiểu rằng khung i đã được nhận đúng. Kết luận này được giải thích như sau: khi phía thu gửi ACK(i+2) nghĩa là phía thu đã nhận đúng (và chấp nhận) khung i+1, điều đó cũng đồng nghĩa với việc phía thu đã nhận đúng khung i. Người ta nói cơ chế của Go-back-N sử dụng cummulative ACK (nghĩa là các ACK sau cũng đồng thời báo nhận cho các khung trước đó) Nếu trong khoảng thời gian time-out của khung i, phía phát không nhận được ACK(i+n) nào cả thì sau time-out, phía phát sẽ phải phát lại khung i (và tất cả các khung sau đó). 3) Khung NAK bị lỗi – trong trường hợp NAK bị lỗi, nghĩa là khung i bị lỗi, lúc này phía thu sẽ không nhận thêm một khung nào sau khung i (và cũng sẽ không gửi báo nhận). Với trường hợp này phía phát bắt buộc phải chờ đến time-out và thực hiện phát lại khung thông tin i. 4) Để đơn giản vấn đề, chúng ta không xem xét trường hợp ACK và NAK bị sai (nếu xét thì sẽ như thế nào???) Hình 1-8 đây trình bày nguyên tắc phát lại của ARQ Go-back-N khi có lỗi xảy ra với khung thông tin Hình 5-8: Minh họa cơ chế Go-back-N ARQ 104 Một số chú ý của cơ chế hoạt động ARQ Go-back-N Bên cạnh nguyên tắc hoạt động và minh họa đã trình bày trên đây, cần chú ý một số điểm sau khi tìm hiểu hoạt động của Go-back-N Trong trường hợp phía thu có khả năng xử lý W khung thông tin thì không cần bộ đệm. Phía thu chỉ nhận và xử lý thông tin theo đúng thứ tự (dựa trên số thứ tự đánh trên các khung) Phía thu chuyển các gói thông tin lên lớp cao hơn theo thứ tự Phía thu sẽ không nhận khung i+1 nếu chưa nhận được khung i. Điều này là nguyên nhân khiến phía thu không cần phải có bộ đệm Phía phát phải lưu tối đa là W khung thông tin trong bộ đệm để chờ ACK Hiệu suất của cơ chế ARQ Go-back-N Tương tự như trường hợp ARQ dừng và đợi, khi tính hiệu suất của phương pháp phát lại ARQ Go-back-N, chúng ta cũng tính trong hai trường hợp: trường hợp lý tưởng và và trường hợp thực tế. 1) Trường hợp 1: trong điều kiện lý tưởng Để có thể tính được hiệu suất của phương pháp ARQ Go-back-N trong trường hợp lý tưởng, chúng ta dựa trên hiệu suất của phương pháp dừng và đợi đã biết. Đó là: 1 1 2 a trong đó D F T a= T . Nếu chuẩn hóa đơn vị T F = 1 đơn vị thời gian (giả thiết thời gian phát khung là 1 đơn vị chuẩn) thì trễ truyền sóng từ giữa hai trạm thu phát là a đơn vị thời gian. Nói một cách khác, khung thông tin truyền từ phát sang thu và khung ACK/NAK truyền từ thu về phát mất một khoảng thời gian là a đơn vị thời gian. Hình 1-9 trình bày về giản đồ thời gian của phương pháp cửa sổ trượt. Hình 1-9(a) minh họa trong trường hợp kích thước cửa sổ W > 2a + 1 và hình 1-9 (b) minh họa trong trường hợp kích thước cửa sổ W < 2a + 1. Quy ước: [X] là số nguyên nhỏ nhất lớn hơn hay bằng X. A là phía phát, B là phía thu 105 Hình 5-9(a): Giản đồ thời gian phương pháp cửa sổ trượt, W > 2a+1 Hình 5-9(b): Giản đồ thời gian phương pháp cửa sổ trượt, W < 2a+1 Hiệu suất của phương pháp này phụ thuộc vào kích thước cửa sổ W và giá trị a. Trên hình 1-9(a) và 1-9(b), phía phát A thực hiện truyền các khung tại thời điểm t 0 (bit đầu tiên của khung đầu tiên). Bit đầu tiên này đến phía thu B tại thời điểm t 0 +a. Toàn bộ khung đầu tiên đến B tại thời điểm t 0 +a+1. Giả thiết bỏ qua thời gian xử lý, như vậy B cũng có thể gửi báo nhận ACK tại thời điểm t 0 +a+1. Trong trường hợp kích thước báo nhận nhỏ thì đây cũng là thời điểm toàn bộ báo nhận ACK rời khỏi phía thu. Báo nhận này đến phía phát A tại thời điểm t 0 +2a+1. Giả thiết phía phát luôn có dữ liệu để có thể truyền liên tục, khi ấy có hai trường hợp xảy ra. Nếu W ≥ 2a+1: báo nhận đầu tiên đến phía phát trước khi W = 0. Kể từ thời điểm A nhận được báo nhận đầu tiên, cứ mỗi một đơn vị thời gian A phát được một khung thông tin và cũng đồng thời nhận được một báo nhận, như vậy A có thể phát tin liên tục 106 Nếu W < 2a+1: kích thước cửa sổ phía phát W = 0 đạt tại thời điểm t 0 +W (xảy ra trước thời điểm t 0 +2a+1) và phía phát không thể phát khung trong khoảng thời gian từ t 0 +W đến t 0 +2a+1. Hiệu suất của phương pháp cửa sổ trượt lúc này: 2 1 window W a khi W < 2a+1 và 1 window khi W ≥ 2a + 1 2) Trường hợp 2: trong trường hợp thực tế, do có lỗi xảy ra nên hiệu suất thực tế nhỏ hơn hiệu suất trong trường hợp lý tưởng window Go back N R N trong đó N R là số là phát trung bình cho đến khi thành công. Với trường hợp Go-back-N, mỗi khi có lỗi xảy ra, phía phát sẽ phải phát lại K khung (việc xác định K sẽ được tính ở phần sau). Xác suất để khung thông tin được truyền đến lần thứ i thì đúng 1 ( ) .(1 ) i p i p p (trong đó p i-1 là xác suất để i-1 lần truyền đầu tiên bị sai) và 1-p là xác suất để lần truyền thứ i đúng. Với trường hợp này, tổng số khung phải truyền lại sẽ là f(i) = 1 + (i-1).K trong đó (i-1).K là tổng số khung phải truyền lại cho i-1 lần truyền sai. Vậy số khung trung bình cần truyền trong trường hợp truyền đến lần thứ i mới đúng là N(i) = f(i).p(i) Số khung trung bình cần truyền cho đến khi thành công: 1 1 1 1 ( ). (1 ) (1-K)+Ki (1 ) i i R i i N f i p p p p 1 1 1 1 (1 ) (1 ) (1 ) i i R i i N K p p K ip p Sử dụng các kết quả sau: 1 0 1 1 1 i i i i r r r Và: i-1 2 1 1 i.r (1 ) i r Ta có: 1 1 1 1 R K p Kp N K p p Tính K: Để tính hiệu suất của phương pháp Go-back-N, ta giả thiết phía phát luôn có dữ liệu để phát (thực hiện phát liên tục, trừ khi phải dừng lại do kích thước cửa sổ = 0). Như vậy, . k bit để đánh số thì tổng số khung được đánh số sẽ là 2 k (từ 0 đến 2 k – 1) và do đó, kích thước cửa sổ tối đa W max = 2 k (về mặt lý thuyết). Ví dụ sử dụng 3 bit để đánh số thứ tự cho. sai. Cũng vì lý do này mà mỗi môi trường truyền dẫn nhất định sẽ có kích thước khung tối ưu tương ứng. Như vậy, hệ số a gần như không thể thay đổi dẫn đến phương pháp truyền lại theo cơ chế. thông tin về bản chất chính bằng hiệu suất khi tính cho một khung (vì cả tử số và mẫu số cùng nhân với một hệ số tỷ lệ là số khung thông tin được truyền) Trường hợp 1: Giả thiết môi trường không